氧化應激在膿毒癥心肌病中的研究進展

馬淑青 唐其柱

(武漢大學人民醫院心血管內科 代謝與相關慢病湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430060)

膿毒癥心肌病是膿毒癥的嚴重并發癥，并與膿毒癥高死亡率直接相關。部分膿毒癥患者臨床會出現心肌功能障礙，主要表現為左心室擴張、心室收縮功能和舒張功能抑制，導致心輸出量降低和休克[1]。膿毒癥心肌病發生在近40%的膿毒癥患者中，引起患者死亡率70%，而在無心血管損害的膿毒癥患者中，死亡率為20%[2]。因此，了解膿毒癥引起心臟損傷的病理機制十分關鍵。內毒素會引起心肌細胞的氧化還原失衡和后續的功能紊亂。

1 膿毒癥心肌細胞的氧化還原失衡

1.1 活性氧和活性氮的過度產生

1.2 抗氧化儲備減少

心肌細胞的抗氧化系統可分為酶類和非酶類，酶類抗氧化劑主要包括超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽還原酶和硫氧還蛋白等，而非酶類主要包括還原型谷胱甘肽、維生素A/C/E、褪黑素以及一些金屬如硒和銅等。許多實驗證明膿毒癥破壞心肌抗氧化系統，使ROS和RNS的生成超過了抗氧化保護機制的耐受能力。Zang等[5]在肺部注射肺炎鏈球菌懸液構建的大鼠膿毒癥模型中發現，膿毒癥誘導后的4～8 h心肌細胞的超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶水平均明顯下降，其中谷胱甘肽過氧化物酶活性在12～24 h下降至70%。

2 氧化應激破壞膿毒癥心肌收縮裝置

膿毒癥促進自由基的形成，導致脂質過氧化和蛋白質硝化，進而引起心肌蛋白修飾和心肌結構損傷。心肌細胞肌動蛋白和肌球蛋白對硝化反應敏感。Celes等[6]在小鼠盲腸結扎和穿刺膿毒癥模型中發現氧化應激引起的脂質過氧化和蛋白質硝化產物4羥基壬烯醛和硝基酪氨酸含量增加，導致心肌細胞肌膜通透性增加和肌層損傷。病理染色結果顯示膿毒癥小鼠的心肌組織中肌動蛋白和肌球蛋白結構被破壞，肌原纖維結構紊亂、碎裂和溶解。以上表明RNS和ROS引起的脂質過氧化和酪氨酸硝化通過直接改變收縮裝置降低心肌收縮功能。

3 氧化應激與能量衰竭

4 氧化應激與凋亡

ROS可通過刺激脂質過氧化來損傷膜的屏障作用，在線粒體內主要表現為促進鈣依賴的線粒體膜通透性轉換孔的開放。線粒體膜通透性轉換孔開放直接引起線粒體膜電位下降甚至丟失、線粒體腫脹和外膜破裂，最終導致促凋亡途徑的激活[10]。有研究表明膿毒癥期間心肌細胞可通過ROS依賴的細胞色素C釋放途徑引起凋亡。細胞色素C在正常情況下與心磷脂結合位于線粒體膜上。膿毒癥刺激后，ROS可介導心磷脂過氧化和損耗，線粒體內膜和外膜損傷、通透性增加，破壞細胞色素C和心磷脂的結合并使其釋放進入細胞質，隨后依次激活caspase 9、caspase 3和caspase 7級聯反應，誘導心肌細胞凋亡[11]。

5 NO在膿毒癥心肌病中的作用

NO是一種具有多種生理功能的信號分子。有許多研究表明過量的NO生成在膿毒癥中起到重要作用。NO由NO合酶(NO synthase，NOS)在體內催化生成，其在膿毒癥中的作用因細胞和酶源的不同而發生變化，不同細胞和酶源產生的NO可能存在相反的作用并相互影響。其中，介導NO在膿毒癥心肌病中的作用的主要酶源是誘導型NOS(iNOS)和內皮型NOS(eNOS)。

eNOS主要定位于血管內皮細胞，對血管舒張和血壓控制至關重要。eNOS誘導生成的NO對膿毒癥心肌病的預后有多重影響。一方面，NO可作為心臟保護物質引起冠狀動脈血管舒張，有利于增加心肌血供；另一方面，NO引起的外周血管反應性降低、血管擴張會造成低血壓，加重膿毒癥患者休克反應[12]。近年來研究發現心肌細胞來源的eNOS在實驗性膿毒癥心肌病中具有保護作用。Ichinose等[13]發現心肌細胞特異性過表達eNOS可逆轉因膿毒癥而導致的心肌功能障礙并降低死亡率，主要機制是通過增加心肌eNOS產生的NO水平來減少內毒素誘導的ROS生成，增加肌質網總Ca2+負荷和肌絲對Ca2+的敏感性，從而維持心肌收縮功能，提高心源性重癥感染性休克患者的存活率。

6 氧化應激在膿毒癥心肌病的潛在治療方向

6.1 常見心血管藥物對膿毒癥心肌病的作用

膿毒癥患者臨床應用心血管藥物時需考慮藥物對內毒素導致的循環休克、炎癥反應和器官衰竭的影響。由于膿毒癥心肌病患者臨床常表現為左心室收縮能力減弱和射血分數下降，正性肌力藥物如多巴酚丁胺和左西孟旦常被用于臨床提高心室收縮力和組織灌注[17]。近期研究顯示正性肌力藥物如左西孟旦在膿毒癥患者中也具有抗氧化應激的作用。一項臨床試驗顯示應用左西孟旦治療的膿毒癥休克患者相比于安慰劑組患者，體內還原型谷胱甘肽、錳超氧化物歧化酶和線粒體豐度明顯升高，說明左西孟旦可增加膿毒癥患者的抗氧化儲備，保護線粒體免受氧化應激的影響，緩解因能量衰竭而引起的器官功能障礙[18]。另一項研究也證明左西孟旦可在不改變iNOS表達水平的條件下通過降低ROS生成來減少蛋白質亞硝化，提示左西孟旦除了有鈣增敏的正性肌力作用外，還參與影響氧化應激的細胞途徑[19]。肼屈嗪一般和其他抗高血壓藥聯合應用治療腎性高血壓和舒張壓較高的患者，一項實驗性研究顯示肼屈嗪可減少超氧化物和iNOS的過量產生，從而降低白介素-6和NO的血清含量，通過抑制氧化應激緩解膿毒癥引起的凝血障礙和多器官衰竭[20]。綜上，在膿毒癥心肌病中應用針對心肌功能損傷的心血管藥物治療時，也可結合藥物抗氧化應激的特性綜合考慮，提高臨床患者預后水平。

6.2 常見內分泌代謝藥物對膿毒癥心肌病的作用

多項研究顯示部分調節血脂和血糖的藥物在膿毒癥的進展中有抗氧化應激和心臟保護作用。他汀類藥物如辛伐他汀可提高膿毒癥期間血管對eNOS敏感性并維持冠狀動脈血流，保留心臟功能，提高生存率[21]。另一項研究顯示辛伐他汀還可通過抑制Toll樣受體4/核因子-κB/iNOS途徑減輕誘導型NO的生成，從而對膿毒癥所致的心肌抑制具有保護作用[22]。二肽基肽酶-4抑制劑是一類抑制體內胰高血糖素樣肽-1分解的新型降糖藥。研究顯示利格列汀作為一種二肽基肽酶-4具有獨立于降糖特性的抗氧化作用，可減少膿毒癥期間血管和心臟NOX的表達和ROS的形成，同時也是體外分離的中性粒細胞中氧化應激的最有效抑制劑，因此利格列汀可作為有糖尿病基礎疾病的膿毒癥心肌病患者的輔助用藥[23]。

6.3 常見抗氧化劑對膿毒癥心肌病的作用

6.3.1 維生素C

維生素C作為一種常見的抗氧化劑一直被考慮為臨床單獨或聯合應用治療膿毒癥心肌病的潛在藥物。一項實驗性研究顯示給膿毒癥大鼠聯合口服維生素C、維生素A/E和鋅可明顯減少實驗動物心肌線粒體細胞色素C釋放、抑制心肌細胞ROS和RNS生成和炎性細胞因子分泌，減輕膿毒癥引起的心肌收縮障礙[24]。在嚴重的膿毒癥患者可觀察到血漿抗壞血酸濃度顯著降低，部分臨床試驗已證明膿毒癥患者大劑量應用維生素C可有效減輕炎癥、氧化應激水平并改善器官功能障礙[17]。一項1期臨床試驗顯示早期給膿毒癥患者每6 h靜脈滴注維生素C 200 mg/kg，可迅速降低患者序貫器官衰竭評分(SOFA)，并減輕患者炎癥反應和血管內皮損傷，其機制可能源于靜脈補充維生素C有利于使內皮細胞迅速吸收維生素C，從而清除ROS并增加內皮型NO的產生，以及中性粒細胞吸收維生素C后可正常凋亡并減少生成破壞器官的細胞因子。試驗同時顯示靜脈補充維生素C安全性良好，因此可為嚴重膿毒癥患者提供輔助治療[25]。另一項最新研究顯示給予伴有急性呼吸窘迫綜合征的膿毒癥患者每6 h靜脈注射50 mg/kg維生素C并不能顯著改善患者的器官功能不全、炎癥反應和血管損傷，但降低了患者死亡率[26]，這個不同的結果可能與維生素C的開始給藥時間較遲以及給藥的劑量較低有關。另一項臨床研究顯示對于需長時間機械通氣的重癥膿毒癥患者應用維生素C可明顯改善通氣時間并減少ICU住院時間[27]。此外，維生素C和其他藥物聯合應用也被認為是膿毒癥心肌病的一種治療策略。有學者認為維生素C和硫胺素、皮質類固醇聯合應用是膿毒癥復蘇的一種很有前途的新療法[28]。最近一項回顧性單中心研究發現，維生素C與氫化可的松和硫胺素的聯合應用具有協同抗氧化作用，并引起死亡率和器官功能障礙的降低[29]。綜上，維生素C在臨床膿毒癥心肌病患者的治療中有很大的應用前景，同時需控制好其最有效劑量和最佳給藥時間。

6.3.2 褪黑素

褪黑素具有重要的抗氧化和抗炎特性，已被多項研究證明可減少膿毒癥期間心肌ROS的產生，保護線粒體內穩態和生物能量效能，保護心臟功能。一項研究顯示褪黑素可作為一種靶向抑制NLRP3炎癥小體的抗炎藥起到降低ROS和維持正常心肌結構的作用[30]。多項研究顯示褪黑素可通過激活膿毒癥心肌細胞的心肌保護信號通路(包括Akt、ERK和AMPK)減少線粒體引發的氧化損傷，激活自噬，維持線粒體質量和功能，改善內質網應激，恢復心肌細胞收縮功能，提高生存率[31-33]。一項最新研究顯示聯合應用褪黑素和鳶尾素可抑制誘導氧化應激損傷的Mst-1/JNK通路，維持ATP生成和線粒體膜電位，提高膿毒癥心肌細胞存活[34]。綜上，褪黑素在維持膿毒癥心臟功能、抑制心臟損傷方面的作用可為其在臨床應用提供重要依據。

6.3.3 線粒體靶向抗氧化劑

線粒體是氧化應激對心肌細胞功能有害影響的核心，研究顯示發生膿毒癥心肌收縮障礙之前已出現心肌線粒體損傷[35]，提示早期靶向抑制線粒體氧化應激有利于延緩膿毒癥心肌病進展。去乙酰化酶3是維持線粒體結構完整和能量代謝的線粒體酶蛋白，其對下游靶蛋白的去乙酰化作用可增強抗氧化防御系統的活性，減少細胞ROS的產生[36]。二十碳五烯酸是常見的ω-3多不飽和脂肪酸，飲食中的二十碳五烯酸具有抗氧化和抗炎作用。研究顯示在膿毒癥早期添加二十碳五烯酸飲食可通過提高線粒體去乙酰化酶3的表達水平抑制線粒體ROS積累和蛋白亞硝化，維持線粒體氧化磷酸化水平[35]。LGM2605是化學合成的亞麻籽的營養成分，屬于有效的抗氧化劑。LGM2605的抗氧化治療可在膿毒癥早期清除ROS、保護線粒體膜電位、恢復線粒體呼吸功能并提高線粒體豐度[37]。綜上，靶向線粒體抗氧化治療可作為一種新的藥理學方法，通過減少心臟ROS的積累靶向保護心肌線粒體功能，防止并逆轉膿毒癥引起的心臟功能障礙，提高生存率。

6.4 NOS抑制劑和eNOS激動劑

雖然NO在膿毒癥心肌病中的作用是多重的，但許多實驗證明應用NOS抑制劑可減輕膿毒癥誘導的心肌損傷并改善預后。聯合應用NOS抑制劑亞硝基左旋精氨酸甲酯和NO清除劑c-PTIO可部分逆轉膿毒血癥中觀察到的線粒體和心臟功能障礙，表明高濃度的NO和膿毒癥心肌病產生的炎性損傷、線粒體生物能下降和心臟收縮功能障礙有明確的因果關系[15]。另一項研究發現聯合使用β2腎上腺素能受體拮抗藥ICI 118551和iNOS抑制劑1400W可逆轉LPS誘導的心肌抑制加重和死亡率增加[38]。Ortiz等[39]研究發現褪黑素可作為一種選擇性iNOS抑制劑在保持神經型NO合酶活性的同時抑制線粒體iNOS的表達，減輕內毒素引起的心臟線粒體氧化應激損傷。綜上所述，NOS抑制劑，特別是針對iNOS/線粒體iNOS靶點的抑制劑在臨床上治療膿毒癥心肌病患者有較大的前景，但關于NOS抑制劑的臨床安全性和劑量選擇仍需進一步的實驗數據支持。

部分研究顯示心肌細胞特異性激活eNOS可有效改善膿毒癥誘導的心功能障礙。Zeng等[40]在大鼠膿毒癥模型中的研究指出腦源性神經營養因子可通過激活心肌細胞eNOS/NO通路減少氧化應激和細胞凋亡，靜脈補充重組腦源性神經營養因子可改善心功能，提高生存率。

6.5 血紅素加氧酶1

血紅素加氧酶1(HO-1)一直被認為是一種有效的抗氧化、抗炎和抗凋亡的活性物質。心肌細胞特異性HO-1敲除加重了氧化應激引起的膿毒癥心肌損傷[41]。通過細胞穿膜肽PEP-1介導的外源性HO-1蛋白可通過下調Toll樣受體4/核因子-κB通路減輕膿毒癥引起的氧化損傷和炎癥反應，提示了HO-1在膿毒癥心肌病的治療前景[42]。值得注意的是，一項新研究顯示髓系細胞特異性敲除HO-1可減弱膿毒癥患者iNOS誘導的過氧亞硝酸鹽/硝基酪氨酸生成及后者引起的氧化損傷，其機制為HO-1阻止iNOS蛋白通過溶酶體降解，提示巨噬細胞中的HO-1反而不利于保護膿毒癥心功能[2]。因此，臨床上以HO-1為靶點來治療膿毒癥心肌病需考慮應用的途徑和范圍。

6.6 自由基清除劑

膿毒癥心肌病氧化應激損傷的機制之一為抗氧化儲備減少，因此補充自由基清除劑，可作為提高心肌細胞抗氧化能力和治療膿毒癥心肌病的重要策略。依達拉奉作為一種自由基清除劑已被廣泛用于神經系統缺血性疾病，近期研究顯示大鼠盲腸結扎穿刺膿毒癥模型中給予依達拉奉顯著增加了過氧化氫酶，同時減少了脂質過氧化產物丙二醛的生成，有效地改善了膿毒癥大鼠的心功能和存活率，其機制與激活缺氧誘導因子-1α/HO-1抗氧化通路有關[43]。

7 結語與展望

氧化應激在膿毒癥心肌病的發病過程中起到非常關鍵的作用，ROS和RNS的過度產生引起的線粒體結構損傷和功能障礙是導致心肌細胞能量衰竭和數量減少的關鍵因素。一些典型的抗氧化劑如維生素C、褪黑素和其他一些具有抗氧化作用的藥物可作為膿毒癥心肌病的潛在治療藥物。但實驗動物模型和實際臨床治療仍存在差異，目前對于膿毒癥心肌病的臨床治療仍以一般性的支持治療為主，針對心肌細胞的靶向抗氧化治療可成為一個潛在的治療方向，需更多的臨床數據支持。